CN103323909A - 一种细径保偏光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种细径保偏光子晶体光纤。包括石英晶体基底，在基底上分布有按照一定规则排列的若干空气孔形成纤芯和包层。空气孔的孔径尺寸为波长量级，空气孔分为大空气孔和小空气孔，空气孔分为三层，各层空气孔排列呈正五边形；第一层包含5个空气孔，每个空气孔占据这个五边形的五个顶点，三个大空气孔，两个小空气孔；第二层由10个小空气孔组成，5个空气孔各自占据五边形的5个顶点，在五边形五条边中点上各有一个空气孔；第三层由10个空气孔组成，五边形五个顶点的气孔缺失，五条边各均匀分布有两个小孔。本发明是一种细径、高双折射、制备简单的保偏光子晶体光纤，专门用于光纤陀螺敏感环的绕制。

Description

一种细径保偏光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及的是一种光子晶体光纤，具体地说是一种细径、具有良好偏振保持特性的保偏光子晶体光纤。

背景技术

光子晶体光纤是一种在光子带隙理论上发展起来的新型的光纤，由于结构设计的灵活性和独特的光学特性，自上世纪末问世以来就得到了广泛的关注。典型的光子晶体光纤由纯石英晶体和分布在其中的一定数量的空气组孔成，这些空气孔沿光纤轴向分布并贯穿整根光纤，因此光子晶体光纤又被称作微结构光纤或多孔光纤。光子晶体光纤结构设计灵活，通过调整包层空气孔大小，孔间隙大小、中心实体大小、中心实体折射率等，可以获得理想的双折射、非线性、色散等特性。大量研究表明，光子晶体光纤之所以能够提供较高的双折射主要得益于以下两点：第一，得益于设计合理的空气孔，光子晶体光纤的纤芯与包层的折射率差远大于传统光纤；第二，通过灵活的结构设计，在纤芯或包层内可以方便地引入不对称结构。

光子晶体光纤的发展，特别是保偏光子晶体光纤的发展与研究为光纤陀螺解决环境适应性问题提供了全新的思想。常见的中、高精度的光纤陀螺光纤敏感环大都采用传统保偏光纤（应力型保偏光纤）制成。由于传统保偏光纤的高双折射主要是通过引入应力区获得的，当温度升高时，应力区内的应力随温度升高而逐渐释放，双折射值随之逐渐减小甚至消失，所以其温度稳定性较差。同时，在核辐射情况下光纤纤芯中的锗会向包层中扩散，导致纤芯中的折射率逐步减小，致使光在传输光纤中由纤芯逐步向包层中扩散，损耗严重。而采用光子晶体光纤制作的光纤陀螺可获得较高的温度稳定性、较低的弯曲损耗、较低的偏置漂移和噪声，对进一步提高光纤陀螺的性能具有重要的价值，其特殊的结构分布和特性，使光得光子晶体光纤陀螺比传统光纤陀螺拥有众多不可比拟的优越性。

光纤陀螺对保偏光纤的要求主要有以下几点：

（1）结构要求：光纤陀螺需要的光纤敏感环尺寸较小，为了降低弯曲损耗、减小光纤弯曲断裂的几率，需要使光纤的直径较小；

（2）制备要求：为了提高光纤制备的成品率，要求其制备难度不能太高；

（3）温度特性要求：为抑制温度效应对光纤陀螺性能的不良影响，光纤陀螺采用的保偏光纤应当具有一定的温度稳定性；

（4）偏振保持特性要求：在中、高精度光纤陀螺中大多采用偏振保持光路结构，这就要求所使用的光纤应该具有高双折射特性；

（5）环境要求：光纤陀螺需要可以在具有核辐射等极端条件的环境中应用，这就要求所选用的光纤能在极端情况下具有较强的稳定性。

虽然目前市面上出现了一些适用于光纤陀螺敏感环的光子晶体光纤，但是这些光纤的尺寸较大，制备较为复杂，不能很好地满足光纤陀螺高精度、小型化发展趋势的需要。而细径保偏光子晶体光纤代表了光纤陀螺敏感环用光纤的未来发展方向。因此，有必要专门研制符合光纤陀螺要求的细径保偏光子晶体光纤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种细径、高双折射、制备简单，适用于光纤陀螺的细径保偏光子晶体光纤。

本发明的目的是这样实现的：

包括石英晶体基底，在基底上分布有按照一定规则排列的若干空气孔形成纤芯和包层，所述空气孔沿光纤轴向分布并贯穿整根光纤，所述空气孔的孔径尺寸为波长量级，所述按照一定规则排列的若干空气孔的分布为：按照直径大小空气孔分为大空气孔和小空气孔两种，空气孔分为三层，各层空气孔排列呈正五边形；第一层即最内的一层包含5个空气孔，每个空气孔占据这个五边形的五个顶点，其中三个大空气孔，两个小空气孔；第二层即中间的一层由10个小空气孔组成，其中5个空气孔各自占据五边形的5个顶点，在五边形五条边中点上各有一个空气孔；第三层即最外的一层由10个空气孔组成，五边形五个顶点的气孔缺失，五条边各均匀分布有两个小孔。

本发明还可以包括：

1、大空气孔直径d₁、小空气孔直径为d₂和气孔间距Λ之间的关系满足：Λ=d₁=2d₂。

2、大空气孔直径d₁的取值范围为1.6μm～2.4μm。

3、基底直径为20μm～80μm。

本发明描述的保偏光子晶体光纤包层直径明显小于现有光子晶体光纤的直径，以一种优先结构为例：大空气孔的直径d₁为1.8μm，小孔的直径d₂为1.0μm，孔间距Λ为1.8μm，空气孔区域直径为10μm。本发明涉及到的保偏光子晶体光纤的包层直径为20μm～80μm，明显小于目前常见的125μm。因此，这是一种良好的细径光子晶体光纤，有利于光纤陀螺的小型化。同时，细径的光纤可以降低光纤环绕制过程中断裂的机率，小半径的光纤环还能够减少光束的传输损耗。

本发明描述的保偏光子晶体光纤通过在最内层将三个小气孔换为大气孔，破坏了纤芯的圆对称性，可以获得很强的双折射。经过多次仿真实验证明，本发明涉及到的保偏光子晶体光纤的双折射可以到10^-3～10^-2量级，比传统光纤陀螺光纤环所用的保偏光纤双折射高出1～2个数量级，这一点对提高光纤陀螺的精度是十分有利的。并且由于其高双折射是通过改变光纤包层空气孔的几何尺寸获得的，理论上大大降低了温度的影响，提高了光纤陀螺的稳定性。

光子晶体光纤中空气孔分布和空气孔数量对光纤制备难度影响较大，空气孔数量较少的光子晶体光纤更容易制备。本发明涉及到的光子晶体光纤气孔只有三层，气孔数量少，结构简单，降低了制备的难度，适于大规模生产。此外，空气孔数量的减少，某种程度上也改善了光纤熔接时空气孔塌陷问题。

有益效果：本发明通过设计周期性排列的气孔形成包层，将光场束缚在纤芯区域；通过将最内层三个小气孔换为大气孔，破坏了纤芯的圆对称性，引入了高模式双折射；通过缩小气孔直径、缩短孔间距、减少气孔数量缩小了光纤尺寸，降低了制备的难度。本发明获得了一种细径的、高双折射的、制备简单的保偏光子晶体光纤，专门应用于光纤陀螺及光纤干涉仪等领域中。

附图说明

图1是本发明涉及的细径保偏光子晶体光纤的横截面示意图；

图2是本发明优先实施例的双折射值随光波长变化的曲线；

图3a-图3b是本发明优先实施例在1.55μm波长处的两正交偏振方向的模场分布图；

图4是本发明优先实施例在1.55μm波长处光波纵向传输图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述：

结合图1。为了解决目前光纤陀螺敏感环用光纤直径较大、双折射较差、制备较为复杂的问题，本发明提供了一种满足光纤陀螺需要的是细径、高双折射、制备简单的保偏光子晶体光纤，专门用于光纤陀螺敏感环的绕制。光纤的横截面包括纤芯1和包层两部分，基底2材质为纯石英晶体，包层是由若干空气孔按照一定规则排列形成的微结构构成，光纤纤芯由包层空气孔的缺失形成。包层内的空气孔直径尺寸为波长量级，沿光纤轴向分布并贯穿整根光纤，所述空气孔分为三层，各层空气孔排列呈正五边形。按照直径大小可以将空气孔分为大空气孔3和小空气孔4两种。第一层即最内的一层包含5个空气孔，每个空气孔占据这个五边形的五个顶点，其中三个大空气孔，两个小空气孔；第二层即中间的一层由10个小空气孔组成，其中5个空气孔各自占据五边形的5个顶点，在五边形五条边中点上各有一个气孔；第三层即最外的一层由10个小气孔组成，五边形五个顶点的气孔缺失，五条边各均匀分布有两个小孔。

优先实施例光纤基底材质为纯石英晶体，其结构参数为：大孔直径d₁为1.8μm，小孔的直径d₂为1.0μm，孔间距Λ为1.8μm。光纤空气孔区域直径的缩小，使得光纤包层直径减小，这为细径保偏光子晶体光纤的实现与制作及陀螺小型化奠定了理论基础。实际制作中，会根据实际应用的不同需求，通过调节影响双折射大小的结构设计参数来获取不同双折射值，这充分体现了光子晶体光纤在结构设计上的灵活性。

图2是优先实施例的双折射值随光波长变化的曲线，从图中可以看出，在波长0.4μm～2.5μm范围内，该型保偏光子晶体光纤的模式双折射值随波长的增加而不断增大，可达10^-3～10^-2量级。在1.55μm波长处，x和y偏振方向有效折射率分别为：

计算可以得到 $B=|n_{\mathrm{eff}}^x-n_{\mathrm{eff}}^y|=4.815\×{10}^{-3},$ 拍长为L_p=λ/B=0.158mm。

以上附图和优先实施例仅为说明性描述，不对本发明的保护范围形成限制。

Claims (4)

1.一种细径保偏光子晶体光纤，包括石英晶体基底，在基底上分布有按照一定规则排列的若干空气孔形成纤芯和包层，所述空气孔沿光纤轴向分布并贯穿整根光纤，其特征是：所述空气孔的孔径尺寸为波长量级，所述按照一定规则排列的若干空气孔的分布为：按照直径大小空气孔分为大空气孔和小空气孔两种，空气孔分为三层，各层空气孔排列呈正五边形；第一层即最内的一层包含5个空气孔，每个空气孔占据这个五边形的五个顶点，其中三个大空气孔，两个小空气孔；第二层即中间的一层由10个小空气孔组成，其中5个空气孔各自占据五边形的5个顶点，在五边形五条边中点上各有一个空气孔；第三层即最外的一层由10个空气孔组成，五边形五个顶点的气孔缺失，五条边各均匀分布有两个小孔。

2.根据权利要求1所述的一种细径保偏光子晶体光纤，其特征是：大空气孔直径d₁、小空气孔直径为d₂和气孔间距Λ之间的关系满足：Λ=d₁=2d₂。

3.根据权利要求2所述的一种细径保偏光子晶体光纤，其特征是：大空气孔直径d₁的取值范围为1.6μm～2.4μm。

4.根据权利要求1-2任何一项所述的一种细径保偏光子晶体光纤，其特征是：基底直径为20μm～80μm。

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